模拟电子技术第08章

第8章直流稳压电源8.1小功率单相整流滤波电路8.2串联反馈稳压电路8.3其他电源电路8.4实际应用电路举例8.1小功率单相整流滤波电路图8.1所示为把正弦交流电转换成直流电的直流稳压电源的原理框图，它一般由四部分组成，各部分功能如下：图8.1直流稳压电源的组成原理框图变压器：将正弦工频交流电源电压变换为符合用电设备所需要的正弦工频交流电压。整流电路：利用具有单向导电性能的整流元件，将正负交替变化的正弦交流电压变换成单方向的脉动直流电压。滤波电路：尽可能地将单向脉动直流电压中的脉动部分(交流分量)减小，使输出电压成为比较平滑的直流电压。稳压电路：采用某些措施，使输出的直流电压在电源发生波动或负载变化时保持稳定。8.1.1整流电路小功率直流电源因功率比较小，通常采用单相交流供电，因此，本节只讨论单相整流电路。利用二极管的单向导电作用，可将交流电变为直流电，常用的二极管整流电路有单相半波整流电路和单相桥式整流电路等。1.单相半波整流电路单相半波整流电路如图8.2所示，图中T为电源变压器，用来将市电220V交流电压变换为整流电路所要求的交流低电压，同时保证直流电源与市电电源有良好的隔离。图8.2单相半波整流电路图8.3单相半波整流电路2.单相桥式整流电路为了克服单相半波整流的缺点，常采用单相桥式整流电路，它由四个二极管接成电桥形式构成。图8.4所示为桥式整流电路的几种画法。图8.4单相桥式整流电路的几种画法图8.5桥式整流电路电压电流波形3.常用整流组合元件将单相桥式整流电路的四只二极管制作在一起，封成一个器件称为整流桥。常用的整流组合元件有半桥堆和全桥堆。半桥堆的内部是由两个二极管组成，而全桥堆的内部是由四个二极管组成。图8.6半桥堆连接方式及电路符号图8.7全桥堆连接方式及电路符号8.1.2滤波电路整流电路将交流电变为脉动直流电，但其中含有大量的直流和交流成分(称为纹波电压)。这样的直流电压作为电镀、蓄电池充电的电源还是允许的，但作为大多数电子设备的电源，将会产生不良影响，甚至不能正常工作。在整流电路之后，需要加接滤波电路，尽量减小输出电压中交流分量，使之接近于理想的直流电压。1.电容滤波电路电容滤波电路如图8.8所示。图8.8桥式整流电容滤波电路假定在t=0时接通电路，u2为正半周，当u2由零上升时，VD1、VD3导通，C被充电，因此uO=uC≈u2u2达到最大值时，uO也达到最大值，见图8.8(b)中a点，然后u2uCu2，VD1、VD3截止，电容C向负载电阻RL放电，由于放电时间常数τ=RLC一般较大，电容电压uC按指数规律缓慢下降。当uO(uC)下降到图8.8(b)中b点后，u2uC，VD2、VD4导通，电容C再次被充电，输出电压增大，以后重复上述充、放电过程。整流电路接入滤波电容后，不仅使输出电压变得平滑、纹波显著减小，同时输出电压的平均值也增大了。输出电压的平均值近似为：UO≈1.2U2故二极管的导通时间缩短，一个周期的导通角θπ。由于电容C充电的瞬时电流很大，形成了浪涌电流，容易损坏二极管，故在选择二极管时，必须留有足够电流裕量。电容滤波电路简单，输出电压平均值UO较高，脉动较小，但是二极管中有较大的冲击电流。因此，电容滤波电路一般适用于输出电压较高、负载电流较小并且变化也较小的场合。2.电感滤波电路图8.10所示电路是电感滤波电路，它主要适用于负载功率较大即负载电流很大的情况。图8.10电感滤波电路3.其他形式滤波电路——LC型滤波电路和π型滤波电路（1）LC型滤波电路电感滤波电路输出电压平均值UO的大小一般按经验公式计算。UO=0.9U2如果要求输出电流较大，输出电压脉动很小时，可在电感滤波电路之后再加电容C，组成LC滤波电路，如图8.11所示。图8.11LC电感滤波电路（2）π型滤波电路为了进一步减小负载电压中的纹波，可采用图8.12所示π型LC滤波电路。图8.12π型滤波电路8.2串联反馈稳压电路8.2.1稳压电路主要技术指标通常用以下几个主要指标来衡量稳压电路的质量。1.内阻r02.稳压系数3.温度系数8.2.2串联反馈式稳压电路三极管被称为调整管。串联型稳压电路组成框图如图8.13(a)所示，它由调整管、取样电路、基准电压和比较放大电路等部分组成。图8.13(b)所示为串联反馈式稳压电路的原理电路图。图8.13串联反馈式稳压电路VT为调整管，它工作在线性放大区，故又称为线性稳压电路。R3和稳压管VD组成基准电压源，为集成运放A的同相输入端提供基准电压;R1、R2和Rp组成取样电路，它将稳压电路的输出电压分压后送到集成运放A的反相输入端；集成运放A构成比较放大电路，用来对取样电压与基准电压的差值进行放大。8.2.3三端集成稳压器及其应用三端式稳压器只有三个引出端子，具有应用时外接元件少、使用方便、性能稳定、价格低廉等优点，因而得到广泛应用。三端式稳压器有两种，一种输出电压是固定的，称为固定输出三端稳压器；另一种输出电压是可调的，称为可调输出三端稳压器。它们的基本组成及工作原理都相同，均采用串联型稳压电路。三端固定输出集成稳压器通用产品有CW7800系列(正电源)和CW7900系列(负电源)。图8.14所示为CW7800和CW7900系列塑料封装和金属封装三端集成稳压器的外形及管脚排列。图8.14三端固定输出集成稳压器的外形及管脚排列1.基本应用电路图8.15所示为7800系列集成稳压器的基本应用电路。由于输出电压决定于集成稳压器，所以图8.15输出电压为12V，最大输出电流为1.5A。图8.157800系列基本应用电路2.提高输出电压的电路实际需要的直流稳压电源，如果超过集成稳压器的输出电压数值时，可外接一些元件提高输出电压，图8.16所示电路能使输出电压高于固定电压，图中的UXX为CW78系列稳压器的固定输出电压数值，显然有：UO=UXX+UZ图8.16提高输出电压电路一也可采用图8.17所示的电路提高输出电压。图中R1、R2为外接电阻，R1两端的电压为三端集成稳压器的额定输出电压UXX，R1上流过的电流为IR1=UXX／R1，三端集成稳压器的静态电流为IQ，则有：IR2=IR1+IQ图8.17提高输出电压电路二3.输出正、负电压的电路图8.18所示为采用CW7815和CW7915三端稳压器各一块组成的具有同时输出+15V～-15V电压的稳压电路。图8.18输出正、负电压的电路4.恒流源电路集成稳压器输出端串入阻值合适的电阻，就可构成输出恒定电流的电源，如图8.19所示。图8.19恒流源电路IQ为稳压器静态工作电流，由于它受UI及温度变化的影响，所以只有当U23/RIQ时，输出电流IO才比较稳定。8.3其他电源电路8.3.1开关电源电路1.开关电源电路的基本工作原理图8.20所示为串联型开关稳压电路的基本组成框图。图8.20串联型开关稳压电路组成框图图8.21开关稳压电源的电压、电流波形虽然调整管工作在开关状态，但由于二极管VD的续流作用和L、C的滤波作用，仍可获得平稳的直流电压输出。2.采用集成开关稳压器电源电路集成开关稳压器有CWl524／2524／3524、CW4960／4962和CW2575／2576等系列。CW2575／2576集成稳压器的特点是：外部元件少，使用方便；振荡器的频率固定在52kHz，因而滤波电容不大，滤波电路体积小，一般不需要散热器。CW2575／2576单列直插式塑料封装的外形及管脚排列如图8.22所示，两种系列芯片的管脚含义相同。图8.22CW2575/2576外形及管脚图8.3.2直流—直流（DC-DC）电压变换电路将一个恒定的直流电压通过电子器件的开关作用变换成为可变的直流电压的过程，称为直流—直流变换，即DC-DC变换。PWM是为保持变换器的输出电压稳定，所采用占空比控制技术中的脉宽调制技术。1.集成PWM控制器的组成和原理目前，常见的单片集成PWM控制器产品有SG3524、TL494、MC34060、SGl525／SGl529等，功能大同小异。由于型号很多，在实际应用中应参考各厂家的产品说明，以便选择适合的集成PWM控制器。下面介绍集成PWM控制器的PWM信号产生电路组成及原理。图8.23表示了PWM信号产生电路框图及其波形。图8.23PWM信号产生电路及波形2.SGl525／SGl527系列集成PWM控制器SGl525／SGl527系列集成PWM控制器是美国硅通用公司的第二代产品，我国的集成电路制造厂家已生产出国产此种系列的PWM控制器。SGl525在SG1524基础上增加了振荡器外同步、死区调节、PWM锁存器以及输出级的最佳设计等，是一种性能优良、功能完善、通用性强的集成PWM控制器。SGl525与SGl524的电路结构相同，仅输出级不同。SGl525输出正脉冲，适用于驱动NPN功率管或N沟道功率MOSFET管。SGl527输出负脉冲，适用于驱动PNP功率管或P沟道功率MOSFET管。SG2525和SG3525也属这个系列，内部结构及功能相同，仅工作电压及工作温度有些差异。8.4实际应用电路举例1.电阻限流电池充电电路如图8.24所示,稳压管保证电池两端电压不超过最大规定电压，电阻R限制充电电流。此电路电流一般小于200mA。图8.24电阻限流电池充电电路2.场效应管恒流电池充电电路如图8.25所示，四只场效应管接成恒流二极管，并联后以足够电流给4节镍镉电池充电，电流一般不超过500mA。需要电流较大时，可以增加场效应管的个数。图8.25场效应管恒流电池充电电路3.具有反接保护的电池充电电路如图8.26所示，电池放置正确并且电池电压大于0.6V时，恒流充电电流约50mA；如果电池接反，则晶体管VT2截止，保护了电池。图8.26具有反接保护的电池充电电路4.稳压集成块恒流源电池充电电路如图8.27所示，输入电压24V时，充电电池可为1～10节。图8.27稳压集成块恒流源电池充电电路5.简单的限流限压电池充电电路如图8.28所示，利用三端可调稳压器317，可以组成限流限压充电电路。最大输出电流约等于0.6V/R4。图8.28限流限压电池充电电路